QEMU 代码分析：BIOS 的加载过程

17 03月

QEMU 中使用 BIOS 简介

BIOS 提供主板或者显卡的固件信息以及基本输入输出功能，QEMU 使用的是一些开源的项目，如 Bochs、openBIOS 等。QEMU 中使用到的 BIOS以及固件一部分以二进制文件的形式保存在源码树的 pc-bios 目录下。pc-bios 目录里包含了 QEMU 使用到的固件，还有一些 BIOS 以 git 源代码子模块的形式保存在 QEMU 的源码仓库中，当编译 QEMU 程序的时候，也同时编译出这些 BIOS 或者固件的二进制文件。QEMU 支持多种启动方式，比如说 efi、pxe 等，都包含在该目录下，这些都需要特定 BIOS 的支持。

清单 1. QEMU 源码树中的 BIOS 文件

$ ls pc-bios/
acpi-dsdt.aml efi-rtl8139.rom openbios-ppc pxe-e1000.rom qemu_logo_no_text.svg slof.bin bamboo.dtb 
efi-virtio.rom openbios-sparc32 pxe-eepro100.rom qemu-nsis.bmp spapr-rtas bamboo.dts keymaps 
openbios-sparc64 pxe-ne2k_pci.rom qemu-nsis.ico spapr-rtas.bin bios.bin kvmvapic.bin optionrom 
pxe-pcnet.rom vgabios.bin efi-e1000.rom linuxboot.bin  palcode-clipper pxe-rtl8139.rom 
 s390-ccwvgabios-cirrus.bin efi-eepro100.rom petalogix-ml605.dtb  pxe-virtio.rom  s390-ccw.img  
vgabios-qxl.bin efi-ne2k_pci.rom  multiboot.bin    petalogix-s3adsp1800.dtb  q35-acpi-dsdt.aml  
s390-zipl.rom vgabios-stdvga.bin  efi-pcnet.rom ohw.diff ppc_rom.bin qemu-icon.bmp sgabios.bin 
 vgabios-vmware.bin

清单 2. QEMU 源码树以子模块方式保存的 BIOS 代码

-bash-4.1$ cat .gitmodules
[submodule "roms/vgabios"]
        path = roms/vgabios
        url = git://git.qemu.org/vgabios.git/
[submodule "roms/seabios"]
        path = roms/seabios
        url = git://git.qemu.org/seabios.git/
[submodule "roms/SLOF"]
        path = roms/SLOF
        url = git://git.qemu.org/SLOF.git
[submodule "roms/ipxe"]
        path = roms/ipxe
        url = git://git.qemu.org/ipxe.git
[submodule "roms/openbios"]
        path = roms/openbios
        url = git://git.qemu.org/openbios.git
[submodule "roms/qemu-palcode"]
        path = roms/qemu-palcode
        url = git://github.com/rth7680/qemu-palcode.git
[submodule "roms/sgabios"]
        path = roms/sgabios
        url = git://git.qemu.org/sgabios.git
[submodule "pixman"]
        path = pixman
        url = git://anongit.freedesktop.org/pixman
[submodule "dtc"]
        path = dtc
         url = git://git.qemu.org/dtc.git

当我们从源代码编译 QEMU 时候，QEMU 的 Makefile 会将这些二进制文件拷贝到 QEMU 的数据文件目录中。

清单 3. QEMU 的 Makefile 中关于 BIOS 的拷贝操作：

ifneq ($(BLOBS),)
        set -e; for x in $(BLOBS); do \
                $(INSTALL_DATA) $(SRC_PATH)/pc-bios/$$x "$(DESTDIR)$(qemu_datadir)"; \
        done

QEMU 加载 BIOS 过程分析

当 QEMU 用户空间进程开始启动时，QEMU 进程会根据所传递的参数以及当前宿主机平台类型，自动加载适当的 BIOS 固件。QEMU 进程启动初始阶段，会通过 module_call_init 函数调用 qemu_register_machine 注册该平台支持的全部机器类型，接着调用 find_default_machine 选择一个默认的机型进行初始化。以最新的 QEMU 代码（1.7.0）的 x86_64 平台为例，支持的机器类型有：

清单 4. 1.7.0 版本 x86_64 QEMU 中支持的类型

pc-q35-1.7 pc-q35-1.6 pc-q35-1.5 pc-q35-1.4 pc-i440fx-1.7 pc-i440fx-1.6 pc-i440fx-1.5
pc-i440fx-1.4 pc-1.3 pc-1.2 pc-1.1 pc-1.0 pc-0.15 pc-0.14
pc-0.13    pc-0.12    pc-0.11    pc-0.10    isapc

最新代码中使用的默认机型为 pc-i440fx-1.7，使用的 BIOS 文件为：

pc-bios/bios.bin
Default machine name : pc-i440fx-1.7
bios_name = bios.bin

pc-i440fx-1.7 解释为 QEMU 模拟的是 INTEL 的 i440fx 硬件芯片组，1.7 为 QEMU 的版本号。找到默认机器之后，为其初始化物理内存，QEMU 首先申请一块内存空间用于模拟虚拟机的物理内存空间，申请完好内存之后，根据不同平台或者启动 QEMU 进程的参数，为虚拟机的物理内存初始化。具体函数调用过程见图 1。

图 1. QEMU 硬件初始化函数调用流程图：

在 QEMU 中，整个物理内存以一个结构体 struct MemoryRegion 表示，具体定义见清单 5。

清单 5. QEMU 中 MemoryRegion 结构体

struct MemoryRegion {
    /* All fields are private - violators will be prosecuted */
    const MemoryRegionOps *ops;
    const MemoryRegionIOMMUOps *iommu_ops;
    void *opaque;
    struct Object *owner;
    MemoryRegion *parent;
    Int128 size;
    hwaddr addr;
    void (*destructor)(MemoryRegion *mr);
    ram_addr_t ram_addr;
    bool subpage;
    bool terminates;
    bool romd_mode;
    bool ram;
    bool readonly; /* For RAM regions */
    bool enabled;
    bool rom_device;
    bool warning_printed; /* For reservations */
    bool flush_coalesced_mmio;
    MemoryRegion *alias;
    hwaddr alias_offset;
    unsigned priority;
    bool may_overlap;
    QTAILQ_HEAD(subregions, MemoryRegion) subregions;
    QTAILQ_ENTRY(MemoryRegion) subregions_link;
    QTAILQ_HEAD(coalesced_ranges, CoalescedMemoryRange) subregions_link;
    const char *name;
    uint8_t dirty_log_mask;
    unsigned ioeventfd_nb;
    MemoryRegionIoeventfd *ioeventfds;
    NotifierList iommu_notify;
};

每一个 MemoryRegion 代表一块内存区域。仔细观察 MemoryRegion 的成员函数，它包含一个 Object 的成员函数用于指向它的所有者，以及一个 MemoryRegion 成员用于指向他的父节点（有点类似链表）。另外还有三个尾队列（QTAILQ） subregions， subregions_link, subregions_link。也就是说，一个 MemoryRegion 可以包含多个内存区，根据不同的参数区分该内存域的功能。在使用 MemoryRegion之前要先为其分配内存空间并调用 memory_region_init 做必要的初始化。BIOS 也是通过一个 MemoryRegion 结构指示的。它的 MemoryRegion.name 被设置为"pc.bios"， size 设置为 BIOS 文件的大小（65536 的整数倍）。接着掉用 rom_add_file_fixed 将其 BIOS 文件加载到一个全局的 rom 队列中。

最后，回到 old_pc_system_rom_init 函数中，将 BIOS 映射到内存的最上方的地址空间。

清单 6. old_pc_system_rom_init 函数中将 BIOS 映射到物理内存空间的代码：

hw/i386/pc_sysfw.c :
    memory_region_add_subregion(rom_memory,
        (uint32_t)(-bios_size) bios);

(uint32_t)(-bios_size) 是一个 32 位无符号数字，所以-bios_size 对应的地址就是 FFFFFFFF 减掉 bios_size 的大小。bios size 大小为 ./pc-bios/bios.bin = 131072 （128KB）字节，十六进制表示为 0x20000，所以 bios 在内存中的位置为 bios position = fffe0000，bios 在内存中的位置就是 0xfffdffff~0xffffffff现在 BIOS 已经加在到虚拟机的物理内存地址空间中了。

最后 QEMU 调用 CPU 重置函数重置 VCPU 的寄存器值 IP=0x0000fff0, CS=0xf000, CS.BASE= 0xffff0000,CS.LIMIT=0xffff. 指令从 0xfffffff0 开始执行，正好是 ROM 程序的开始位置。虚拟机就找到了 BIOS 的入口。

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小结

作者通过阅读 QEMU 程序的源代码，详细介绍了 QEMU 中使用到的 BIOS 文件，QEMU 中物理内存的表示方法，以及 QEMU 是如何一步步将 BIOS 的二进制载入到通过 QEMU 创建的虚拟机中的内存的过程。